基于LCOE 模型的光伏發(fā)電項(xiàng)目?jī)?yōu)化研究

陳柯延

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司寶應(yīng)縣供電分公司， 江蘇 揚(yáng)州 225800）

0 引言

方陣傾角的提升會(huì)使光伏方陣的荷載隨之增加，需要對(duì)光伏發(fā)電的支架和基礎(chǔ)予以強(qiáng)化處理，初始投資會(huì)相應(yīng)提升。因方陣傾角不斷提升，光伏發(fā)電的發(fā)電量也會(huì)呈現(xiàn)出先升后降的狀態(tài)，并且在某一傾角時(shí)的發(fā)電量為最高。方陣間距的提升會(huì)使光伏發(fā)電項(xiàng)目的占地面積、電纜長(zhǎng)度隨之增加，導(dǎo)致初始投資增加。因方陣間距的不斷提升，其陰影覆蓋損失便會(huì)隨之降低，故發(fā)電量呈上升趨勢(shì)。方陣間距和方陣傾角的提升會(huì)對(duì)光伏發(fā)電站初始資金以及發(fā)電量產(chǎn)生影響，光伏發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)因此受到影響。準(zhǔn)確找到方陣傾角和方陣間距之間存在的最佳組合，便可以有效實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電站利益最大化目標(biāo)[1]。但是，由于光伏發(fā)電站之間存在差異性，因此，達(dá)到利益最大化效果的方陣傾角和方陣間距最佳組合也可能不同。

1 基于LCOE 的光伏發(fā)電成本模型

光伏發(fā)電成本普遍會(huì)用LCOE（即平準(zhǔn)化度電成本，公式中記為CLOE）來指代，是用于評(píng)價(jià)各類發(fā)電系統(tǒng)在某一運(yùn)作期限內(nèi)電力單位所需成本的凈現(xiàn)值。在發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)作期間，每度電所需要的成本值為總成本投入貼現(xiàn)值與總發(fā)電量收益貼現(xiàn)值之比。針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)，LCOE 數(shù)值的高低便可以明確地展示出光伏發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)際發(fā)電成本以及經(jīng)濟(jì)效益情況，是相關(guān)人員進(jìn)行投資計(jì)算、并網(wǎng)電價(jià)指導(dǎo)等工作的重要參考，極具指導(dǎo)價(jià)值。基于LCOE 模型的光伏發(fā)電成本計(jì)算公式如下：

式中：I0為初始投資成本；At為第t年的運(yùn)營(yíng)總支出（包含土地租金）；M為當(dāng)年發(fā)電量；i為投資收益率；n為財(cái)務(wù)分析過程中的系統(tǒng)年數(shù)；t為系統(tǒng)運(yùn)行周期（t=1，2，3，…，n）。由式（1）可知，LCOE 模型以動(dòng)態(tài)模擬為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，在計(jì)算時(shí)考慮了貼現(xiàn)率對(duì)LCOE值的影響。

2 方陣間距和方陣傾角最佳組合的計(jì)算方法

計(jì)算各個(gè)方陣間距中差異性方陣傾角的實(shí)際發(fā)電量，以此確定差異性方陣間距中發(fā)電量最大的方陣傾角，進(jìn)而獲得多個(gè)方陣間距和方陣傾角組合。然后，根據(jù)眾多組合的初始投資、運(yùn)維成本和發(fā)電量等因素，分別計(jì)算每個(gè)組合的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，再對(duì)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行比較，找到最終可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電項(xiàng)目利益最大化的方陣間距和方陣傾角最佳組合。

3 實(shí)例分析

本文實(shí)例分析是在土地成本影響的基礎(chǔ)上，以某地面集中光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，分別根據(jù)傳統(tǒng)的計(jì)算方法和上文闡述的計(jì)算方法，對(duì)該光伏發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)予以計(jì)算和對(duì)比，找出最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方陣間距和方陣傾角最佳組合，同時(shí)驗(yàn)證該利益最大化方法的可行性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電項(xiàng)目?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

為簡(jiǎn)化分析，本文做出以下假設(shè)：

光伏發(fā)電項(xiàng)目的可使用場(chǎng)地面積不存在局限性、各個(gè)方陣傾角支架以及基礎(chǔ)均為原定、電纜長(zhǎng)度不變、方陣傾角的變化只對(duì)發(fā)電量和占地面積產(chǎn)生影響、各個(gè)方案的初始投資均為一致、年度運(yùn)維成本和單位土地成本在經(jīng)營(yíng)周期內(nèi)維持原定。

本文通過LCOE 模型對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目單位的發(fā)電量成本情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，LCOE 數(shù)值越小，便證明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案最佳。

3.1 項(xiàng)目概況

該光伏發(fā)電項(xiàng)目的地理坐標(biāo)為北緯30.62°，東經(jīng)114.13°，且占地場(chǎng)所為平地，該項(xiàng)目的裝機(jī)容量為1 004.4 kW，投入使用期限為25 年，建設(shè)成本為4.2 元/Wp，折現(xiàn)率為6.5%，年度運(yùn)維成本為0.05 元/Wp，光伏組件年度衰減率為0.5%，所得稅稅率為25%，增值稅稅率為13%，折舊年限為20 年，殘值率為5%。

該光伏發(fā)電項(xiàng)目運(yùn)用的組件規(guī)格為2 568 mm×1 088 mm（長(zhǎng)×寬）的450 Wp 單晶硅組件，具體應(yīng)用數(shù)量為2 400 塊，在運(yùn)用過程中，將每12 塊組件進(jìn)行串聯(lián)，制成200 串組串。該項(xiàng)目方陣方位角的度數(shù)為0°，且應(yīng)用了固定支架的設(shè)計(jì)，并按照豎向兩排的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置，同時(shí)，將每48 塊組件予以組合排列，利用此方法建出50 個(gè)方陣。組件和組件之間務(wù)必預(yù)留出20 mm 的縫隙，盡量降低方陣面上的風(fēng)壓。選擇13 臺(tái)65 kW 的組串式逆變器，且所有逆變器均需具備四路MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）。同時(shí)，在各路MPPT 上接入3～4 串組串。

3.2 應(yīng)用傳統(tǒng)方法予以優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

3.2.1 計(jì)算傾斜面總輻射量最大時(shí)的方陣傾角

計(jì)算可得該光伏發(fā)電項(xiàng)目所處位置的傾斜面接收總輻射量最大時(shí)的方陣傾角為22.7°，總輻射量為1 287 kW·h/m2，如圖1 所示。

圖1 傾斜面總輻射量最大時(shí)的傾角

3.2.2 計(jì)算方陣前后排間距

通過計(jì)算得到方陣傾角，對(duì)方陣前后排的間距進(jìn)行計(jì)算，利用一般設(shè)計(jì)原則明確其數(shù)值為8.56 m，方陣東西走向的長(zhǎng)度為25.67 m，單方陣的占地面積為219.78 m2，光伏發(fā)電場(chǎng)地所占面積為10 988.94 m2。

3.2.3 明確發(fā)電量最大時(shí)的方陣傾角

通過計(jì)算得到方陣間距數(shù)值，在全部電量損失因素的基礎(chǔ)上，對(duì)方陣傾角予以優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2 所示，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電量最大化[2-3]。

圖2 發(fā)電量仿真二次優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

3.2.4 計(jì)算優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

根據(jù)傳統(tǒng)的計(jì)算方法，確定方陣間距，其數(shù)值為8.56 m，方陣傾角為13.5°，第一年發(fā)電小時(shí)數(shù)為1 041.48 h，光伏發(fā)電場(chǎng)地所占面積是10 988.94 m2。各個(gè)光伏發(fā)電站單位土地租金時(shí)的LCOE 如表1 所示。

表1 各個(gè)光伏發(fā)電站單位土地租金LCOE

3.3 應(yīng)用方陣間距和方陣傾角最佳組合計(jì)算方法分析

3.3.1 尋找不同方陣間距下發(fā)電量最大時(shí)的方陣傾角

本案例分析應(yīng)用的方陣間距參數(shù)在7.0～14.0 m之間，步長(zhǎng)為0.5 m。對(duì)各個(gè)方陣間距下差異化方陣傾角的發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算，得到全部方陣間距和發(fā)電量最大時(shí)的方陣傾角組合。發(fā)電量最大時(shí)的方陣傾角和第一年發(fā)電小時(shí)數(shù)如圖3 所示。

圖3 發(fā)電量仿真二次優(yōu)化

3.3.2 計(jì)算全部組合的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，得到最佳組合優(yōu)化方案

先依照方陣間距的東西、南北走向間距，計(jì)算各個(gè)南北走向的方陣間距單個(gè)光伏方陣的占地面積，將得到的結(jié)果和方陣數(shù)量相乘，可得到不同南北向間距光伏發(fā)電項(xiàng)目的整體占地面積[4-5]。由于方陣南北向的間距會(huì)呈現(xiàn)出擴(kuò)大趨勢(shì)，單個(gè)方陣的占地面積和光伏發(fā)電項(xiàng)目的總占地面積也會(huì)因此擴(kuò)大。各個(gè)方陣南北向間距單個(gè)方陣和光伏發(fā)電總占地面積參數(shù)如表2 所示。

表2 各個(gè)方陣南北向間距單個(gè)方陣和光伏發(fā)電總占地面積參數(shù)

依照每個(gè)方陣南北走向間距下的發(fā)電量最佳方陣傾角、光伏發(fā)電項(xiàng)目整體占地面積和土地單位租金，計(jì)算全部?jī)?yōu)化方案下的年土地租金，年土地租金的數(shù)額會(huì)因方陣南北走向間距和單位土地租金數(shù)額的提升而增加。

對(duì)得到的全部方陣南北走向間距下的發(fā)電量最大時(shí)最優(yōu)傾角、第一年發(fā)電總時(shí)間（h）、光伏發(fā)電項(xiàng)目整體占地面積和土地租金數(shù)額等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算，可得全部組合方案的LCOE，以此獲得方陣間距和方陣傾角的最佳組合，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電項(xiàng)目的優(yōu)化目標(biāo)[6]。計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 各個(gè)方陣間距與傾角組合、不同單位土地租金時(shí)的LCOE 計(jì)算結(jié)果 元/（kW·h）

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，在相同的方陣間距和方陣傾角條件下，LCOE 的數(shù)值會(huì)因單位土地租金的增加而升高。以“7.0 m+10.1°”組合為例進(jìn)行分析，單位土地租金由0.0 元/（m2·a）增加至2.0 元/（m2·a），LCOE 的數(shù)值由0.349 5 元/（kW·h）增加至0.365 2 元/（kW·h）。單位土地租金呈逐漸上升趨勢(shì)，LCOE 最低優(yōu)化方案的方陣間距和方陣傾角呈下降趨勢(shì)。隨著單位土地租金的增加，LCOE 最低方案的方陣間距和方陣傾角組合由“14.0 m+17.9°”變成“7.5 m+10.6°”。傳統(tǒng)方法計(jì)算得出的方陣間距和方陣傾角最佳組合為“8.56 m+13.5°”，其LCOE 的數(shù)值只在單位土地租金為0.8元/（m2·a）時(shí)才最低。各個(gè)單位土地租金時(shí)的方陣間距和方陣傾角最佳組合如圖4 所示。

圖4 各個(gè)單位土地租金時(shí)的方陣間距和方陣傾角最佳組合

4 結(jié)論

1）利用傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)并計(jì)算得出的方陣間距與方陣傾角組合，并非經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的最佳組合。土地租金會(huì)對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目的方陣間距和方陣傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)方案造成影響，且隨著土地租金的不斷變化，其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的方陣間距和方陣傾角可能會(huì)存在差異性。

2）在相同的方陣間距和方陣傾角條件下，LCOE的數(shù)值會(huì)因單位土地租金的增加而升高。不僅如此，因單位土地租金呈逐漸上升的趨勢(shì)，使得LCOE 最低優(yōu)化方案中的方陣間距和方陣傾角呈下降趨勢(shì)。

3）為簡(jiǎn)化計(jì)算，本研究對(duì)各個(gè)方陣間距和方陣傾角組合的項(xiàng)目初始投資予以相同假設(shè)。但事實(shí)上，光伏發(fā)電項(xiàng)目的方陣間距和方陣傾角的變化會(huì)對(duì)支架、基礎(chǔ)和電纜等內(nèi)容形成相應(yīng)的影響，進(jìn)而使得項(xiàng)目初始投資也隨之產(chǎn)生變化，并且普遍會(huì)以相同的方向予以變化。因此，綜合考慮以上因素，LCOE 數(shù)值呈最佳狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的方陣間距和方陣傾角組合將會(huì)比本研究的計(jì)算結(jié)果低。

4）本研究的背景是光伏發(fā)電項(xiàng)目的場(chǎng)地可用面積不會(huì)受到限制、總裝機(jī)容量固定、支架固定、平地以及正南朝向等。針對(duì)所占場(chǎng)地可用面積固定、總裝機(jī)容量非固定、跟蹤支架、地形、坡度和朝向均不固定的情景因素，也可以利用以上方法進(jìn)行研究。